CN115425264A - 一种基于水解制氢单元的燃料电池电源设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水解制氢反应装置技术领域，具体来说是一种基于水解制氢单元的燃料电池电源设备，包括外壳，外壳内设置有反应机构和分离净化机构：反应机构包括原料进液箱和燃料罐，二者通过第一管体贯通连接，第一管体上设置有蠕动泵；分离净化机构包括通过第二管体依次贯通连接的杂质分离器、干燥冷凝机构和除湿器，杂质分离器内设置有除杂机构，除湿器内设置有除湿机构，除湿器通过第三管体与燃料电池贯通连接，第三管体上设置有氢气缓冲储罐；燃料电池与原料进液箱贯通连接。本发明采用模块化制氢单元设计，构建易拆卸的燃料电池供氢系统，以现场制氢的方式为燃料电池稳定、持久供氢，很好的突破了氢气制储困难，运输成本高的限制。

Description

一种基于水解制氢单元的燃料电池电源设备

技术领域

本发明涉及水解制氢反应装置技术领域，具体来说是一种基于水解制氢单元的燃料电池电源设备。

背景技术

近年来传统便携式电源产业发展迅猛，在产品的各个方面都做出了许多改进与提升。然而，在面对飞速发展的电子产品时，现有的便携式移动电源却受限于电力续航和轻便稳定等性能问题，难以与其携手共进，面对这些制约行业发展的痛点，传统便携式电源产业暂时未能提出妥善的解决方案。现在市场上的主流是以锂电池为代表的储能电源，虽然它具有较高的能量密度和较好的循环充放电性能，但其安全性较差，有爆炸风险，且其低温工作性能差，容量衰减严重。此外，由于储能电池是一种二次电池，提高其电池容量必须以增加电池组的数量为代价，难以兼顾轻便和持久。而其他种类的应急电源，如太阳能电池受时间、气候和季节等环境因素影响较大，导致其输出电能不稳定，无法保证即时且快速的电力响应；传统燃油发电机则会产生严重的噪音污染与环境污染，且操作复杂，易发生故障，需要较长时间的预热才能达到最大功率，产生较多的资源浪费。

近年来氢能和燃料电池的迅猛发展，为当前便携式移动电源面临的困境，提供了很好的解决思路与方案。氢能是一种热值高，燃烧产物无污染的新型能源；质子交换膜燃料电池作为氢能源的直接利用形式，可以将氢气和氧气从化学能直接转换成电能，具有能量密度高、转化效率高、环境友好等特点。面对当前市场对便携式移动电源轻便安全、电力持久的诉求，氢燃料电池高比能量、高转化效率、工作性能稳定等特点能很好的满足其需要。

然而，氢能燃料电池尚未实现民用化普及，这主要受制于氢能制储困难、运输成本高以及燃料电池缺乏稳定高效的氢供应等技术。使用合金(氢化物)和硼氢化物等制氢材料与水反应制氢具有很多优点，但是目前国内外报道的水解制氢装置存在结构复杂、集成度差、系统产氢率低、无法拆卸等缺点，因此需要一种安全可控、结构简单的制氢装置。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种基于水解制氢单元的燃料电池电源设备，本发明采用模块化的制氢单元设计，构建易拆卸的燃料电池供氢系统，以现场制氢的方式为燃料电池稳定、持久供氢，很好的突破了氢气制储困难，运输成本高的限制；同时本发明从燃料电池的特性出发，采用了更加科学的集成化、模块化技术，反应机构、杂质分离器、干燥冷凝机构和除湿器等装置的一体式设计，在保证高燃料利用率的同时，在体积和重量方面也有了较大的改善，获得一种便携式、可拆卸的基于水解制氢单元的燃料电池电源设备。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于水解制氢单元的燃料电池电源设备，包括外壳，所述外壳内设置有反应机构和分离净化机构，所述反应机构用于催化制氢：

所述反应机构包括原料进液箱和燃料罐，二者通过第一管体贯通连接，所述第一管体上设置有蠕动泵；

所述分离净化机构包括通过第二管体依次贯通连接的杂质分离器、干燥冷凝机构和除湿器，且所述杂质分离器贯通连接于所述燃料罐上，所述杂质分离器内设置有除杂机构，所述除湿器内设置有除湿件；

所述除湿器通过第三管体与燃料电池贯通连接，所述第三管体上设置有氢气缓冲储罐；

所述燃料电池与所述原料进液箱还贯通连接。

优选的，所述除杂机构包括除酸碱室和颗粒物吸附室，所述除酸碱室的出口上设置有树脂层，所述除酸碱室与所述颗粒物吸附室贯通连接，所述颗粒物吸附室的出口上设置有固体吸附层。

优选的，所述干燥冷凝机构包括球形干燥管和填充管，所述填充管设置于所述球形干燥管上，且所述填充管内填充有吸附内容物，所述吸附内容物包括但不限于活性炭、吸附棉。

优选的，所述除湿件包括除湿管和分子筛，若干所述除湿管呈弓形排列且贯通连接，所述除湿管设置于所述除湿器内，所述分子筛填充于所述除湿管内。

优选的，所述氢气缓冲储罐与所述燃料电池之间的所述第三管体上还设置有背压阀，所述背压阀与所述氢气缓冲储罐之间还设置有电磁阀。

优选的，所述燃料电池与所述原料进液箱之间通过第四管体贯通连接，所述第四管体上设置有气水分离器，所述气水分离器还与所述第二管体贯通连接。

优选的，所述燃料罐内填充有常规水解制氢材料和催化剂，所述水解制氢材料包括但不限于氢化镁、硼氢化钠，且贯通至所述燃料罐内的所述第一管体端部上设置有雾化喷头；

所述原料进液箱内填充有原料液，且所述原料进液箱上设置有进料管，所述进料管上设置有开关。

优选的，所述外壳上开设有通风口，且所述外壳侧壁上还设置有散热器。

优选的，所述第二管体上还贯通设置有第五管体，所述第五管体上设置有安全阀，且所述第二管体与所述燃料罐通过第一密封连接器可便携拆卸连接，所述第一管体上可拆卸连接有第二密封连接器，第二密封连接器与第一密封连接器结构相同。

优选的，所述燃料罐上设置有液位传感器，所述外壳内壁上还设置有控制器和储能电池，所述外壳外壁上设置有操作面板，所述控制器分别与所述液位传感器、所述操作面板、所述蠕动泵、所述电磁阀以及所述储能电池电性连接，所述储能电池还能够与所述燃料电池电性连接。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

1、本发明采用以固体氢化物在线制氢技术耦合质子交换膜燃料电池组成的便携式电源系统设计，采用模块化的制氢单元设计，构建易拆卸的燃料电池供氢系统，以现场制氢的方式为燃料电池稳定、持久供氢，很好的突破了氢气制储困难，运输成本高的限制；同时本发明从燃料电池的特性出发，采用了更加科学的集成化、模块化技术，反应机构、杂质分离器、干燥冷凝机构和除湿器等装置的一体式设计，在保证高燃料利用率的同时，在体积和重量方面也有了较大的改善，得到了一种集成度高、系统产氢率高、结构简单的、便携可拆卸的燃料电池电源系统；

本发明具有较高的系统储氢容量，本发明的装置设计最大程度上发挥了制氢材料的水解制氢能力，即以加入反应液的速率来控制产氢速率，避免了过量反应液对系统储氢容量的影响，且燃料电池工作副产物水可回收至原料进液箱内，用于进一步水解反应；

2、本发明创造性的设置有反应机构和分离净化机构，且二者通过第一密封连接器和第二密封连接器实现可拆卸连接，方便进行燃料罐的更换，提高氢气产量并延长电源稳定供电时间，以实现长时、不间断的制氢发电，同时燃料罐可回收再利用，降低综合使用成本，且克服目前制氢装置无法拆卸的技术问题。

3、本发明提供的是一种氢燃料电池便携式电源系统，由水解制氢材料与水反应在线制氢，氢气供给质子交换膜燃料电池进行发电，具有即开即用、能量密度高、长时供电、无噪声或环境污染等特点，使得起停方便，燃料电池发电功率可调，通过控制反应液输送装置即可控制产氢量与速率，进而控制发电功率。

4、本发明提供的燃料电池安全可控，燃料电池电源设备集成了压力检测器件，配有排气阀，无安全隐患，设备运行不产生噪声或其他污染，绿色环保。

附图说明

图1为本发明一种基于水解制氢单元的燃料电池电源设备的内部结构示意图；

图2为本发明一种基于水解制氢单元的燃料电池电源设备的杂质分离器内部结构示意图；

图3为本发明一种基于水解制氢单元的燃料电池电源设备的除湿器内部结构示意图。

附图标记说明：

1、原料进液箱；2、蠕动泵；3、氢气缓冲储罐；4、散热器；5、燃料罐；6、水解制氢材料和催化剂；7、第一密封连接器；8、安全阀；9、球形干燥管；10、雾化喷头；11、燃料电池；12、液位传感器；13、背压阀；14、除湿器；15、杂质分离器；16、除酸碱室；17、树脂层；18、颗粒物吸附室；19、填充管；20、通风口；21、外壳；22、第一管体；23、气水分离器；24、第二管体；25、第三管体；26、进料管；27、第五管体；28、固体吸附层；29、第四管体；30、储能电池；31、除湿管；32、电磁阀；33、操作面板。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本发明各实施例中实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。

实施例1

一种基于水解制氢单元的燃料电池电源设备，如图1-2所示，包括外壳21，通过外壳21实现整个燃料电池的便携，所述外壳21内设置有反应机构和分离净化机构，所述反应机构用于催化制氢，分离净化机构用于氢气的净化和使用：

所述反应机构包括原料进液箱1和燃料罐5，二者通过第一管体22贯通连接，所述第一管体22上设置有蠕动泵2，蠕动泵2将原料进液箱1中的原料液输送至燃料罐5内，原料液与水解制氢材料和催化剂接触后发生反应开始制氢；

所述分离净化机构包括通过第二管体24依次贯通连接的杂质分离器15、干燥冷凝机构和除湿器14，且所述杂质分离器15贯通连接于所述燃料罐5上，所述杂质分离器15内设置有除杂机构，除杂机构用于除去反应后的产生的酸碱产物或者除去呈酸碱性的原料，所述除湿器14内设置有除湿机构，用于高效除水，继而实现气体的净化；杂质分离器15、干燥冷凝机构和除湿器14共同实现氢气的净化；

所述除湿器14通过第三管体25与燃料电池11贯通连接，所述第三管体25上设置有氢气缓冲储罐3，氢气缓冲储罐3为缓冲罐或气囊，用于进行氢气的短暂性存储；

所述燃料电池11与所述原料进液箱1还贯通连接，燃料电池11反应后产生的水回流至原料进液箱1内。

进一步的，如图2所示，所述除杂机构包括除酸碱室16和颗粒物吸附室18，所述除酸碱室16的出口上设置有树脂层17，树脂层17为强酸阳树脂和强碱阴树脂的混合物，所述除酸碱室16与所述颗粒物吸附室18贯通连接，所述颗粒物吸附室18的出口上设置有固体吸附层28，固体吸附层28为固体吸附剂，氢气进入至杂质分离器15内，先采用树脂层17除去酸碱，再采用固体吸附层28除去随氢气带出的固体物。

进一步的，所述干燥冷凝机构包括球形干燥管9和填充管19，所述填充管19设置于所述球形干燥管9上，且所述填充管19内填充有疏松多孔的吸附内容物，所述吸附内容物包括但不限于活性碳、吸附棉等，反应产生的氢气先进入球形干燥管9进行干燥处理，再经由填充管19内的吸附内容物过滤掉颗粒状物质，实现进一步除杂。

进一步的，如图3所示，所述除湿件包括除湿管31和分子筛，若干所述除湿管31呈弓形排列且贯通连接，所述除湿管31设置于所述除湿器14内，所述分子筛填充于所述除湿管31内，分子筛具有高效的吸水作用，在水经由球形干燥管9干燥后，采用分子筛进行二次除水，且氢气在除湿管31的管路中流通，流通中增大水与分子筛的接触面积，从而优化控制除水效果。

进一步的，所述氢气缓冲储罐3与所述燃料电池11之间的所述第三管体25上还设置有背压阀13，背压阀13用于控制输入燃料电池11内的氢气压力，所述背压阀13与所述氢气缓冲储罐3之间还设置有电磁阀32，电磁阀32通过储能电池30供电，并通过操作面板33上的开关实现控制，即蠕动泵2开关、电磁阀32开关串联后与操作面板33电性连接，打开操作面板33上的开关后，蠕动泵2将原料进液箱1内的水排入燃料罐5产氢，电磁阀32联通，氢气进入燃料电池11开始发电；关闭操作面板33上的开关后，蠕动泵2停止工作，电磁阀32关闭，氢气停止进入燃料电池11，期间产生的氢气进入氢气缓冲储罐3中。

进一步的，所述燃料电池11与所述原料进液箱1之间通过第四管体29贯通连接，所述第四管体29上设置有气水分离器23，所述气水分离器23还与所述第二管体24贯通连接，气水分离器23为小型分离器，经燃料电池11排出的气水混合物经气水分离器23分离后，水进入至原料进液箱1内重新利用，氢气再次用杂质分离器15、干燥冷凝机构和除湿器14进行处理。

进一步的，所述燃料罐5内填充有常规的水解制氢材料和催化剂，所述水解制氢材料包括但不限于氢化镁、硼氢化钠，且贯通至所述燃料罐5内的所述第一管体22端部上设置有雾化喷头10，雾化喷头10增大原料液与水解制氢材料和催化剂的接触面积，使反应更加高效和充分，所述原料进液箱1内填充有原料液，所述原料液为去离子水或含有催化剂的水溶液，且所述原料进液箱1上设置有进料管26，所述进料管26上设置有开关，原料液经由进料管26加入至燃料罐5中，并采用开关将进料管26封闭，避免引入其他杂质；所述燃料电池11的出水口与所述原料进液箱1贯通连接。

进一步的，所述外壳21上开设有通风口20，泄放压力的氢气经由通风口20排出，且所述外壳21侧壁上还设置有散热器4，散热器4实现整个燃料电池电源设备的散热降温。

进一步的，所述第二管体24上还贯通设置有第五管体27，所述第五管体27上设置有安全阀8，燃料电池内压力超出阈值后，通过安全阀8进行氢气量的调控，且所述第二管体24与所述燃料罐5通过第一密封连接器7可拆卸连接，所述第一管体22上可拆卸连接有第二密封连接器，第二密封连接器与第一密封连接器7结构相同，第一密封连接器7是一个快速接口，使得燃料罐5独立于其他系统，实现燃料罐5可替换。

进一步的，所述燃料罐5上设置有液位传感器12，所述外壳21内壁上还设置有控制器和储能电池30，所述外壳21外壁上设置有操作面板33，所述控制器分别与所述液位传感器12、所述操作面板33、所述蠕动泵2、所述电磁阀32以及所述储能电池30电性连接，液位传感器12感应到燃料罐5内达到最大液位高度时，通过控制器迫使蠕动泵2停止工作，进而调控氢气产量，所述储能电池30还与所述燃料电池11电性连接，此时通过燃料电池11还能够向储能电池30供电。

使用方法：本发明在使用时，准备工作：首先向燃料罐5中加入高性能水解制氢材料，如合金(氢化物)、硼氢化物和催化剂等，再向原料液储箱1中添加原料液至合适水位；

开始工作：打开操作面板33上的开关，通过控制器使蠕动泵2开始运行，调节蠕动泵2的流速，蠕动泵2将原料液储箱1中的原料液输送至燃料罐5中，原料液与催化剂接触后发生反应开始制氢；反应产生的氢气先进入至杂质分离器15内进行除酸、除碱和除固体颗粒操作，然后进入至球形干燥管9内进行干燥处理，再通过填充管19内的吸附内容物二次过滤掉颗粒状物质，最终进入除湿器14进一步进行除湿操作，得到净化的氢气，经过净化后的氢气先储存于氢气缓冲储罐3内，再供燃料电池使用；

内部水循环：燃料电池11工作副产物水从第四管体29重新进入原料液储箱1再次参与制氢，提高体系的储氢密度和材料使用率，而与水混合的氢气经气水分离器23分离后，继续进行净化处理，以进行利用；

压力控制：电磁阀32通过储能电池30供电，并通过操作面板33上的开关实现控制，也即蠕动泵2开关、电磁阀32开关串联后与操作面板33电性连接，打开操作面板33上的开关后，蠕动泵2将原料进液箱1内的水排入燃料罐5产氢，电磁阀32联通，氢气进入燃料电池11开始发电；关闭操作面板33上的开关后，蠕动泵2停止工作，原料液停止向燃料罐5中输送液体，反应停止即燃料电池停止工作；同时电磁阀32关闭，氢气停止进入燃料电池11，这期间产生的氢气进入氢气缓冲储罐3中；

压力安全阀：背压阀13用于控制输入燃料电池11内的氢气压力，当管路内气体压力达到安全设定值时，背压阀13自动打开，向燃料电池11输出氢气；

当安全阀8探测到整个电源设备内压力达到高限时，安全阀8自动打开泄放压力，防止系统超压造成危险。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种基于水解制氢单元的燃料电池电源设备，包括外壳(21)，其特征在于所述外壳(21)内设置有反应机构和分离净化机构，所述反应机构用于催化制氢：

所述反应机构包括原料进液箱(1)和燃料罐(5)，二者通过第一管体(22)贯通连接，所述第一管体(22)上设置有蠕动泵(2)；

所述分离净化机构包括通过第二管体(24)依次贯通连接的杂质分离器(15)、干燥冷凝机构和除湿器(14)，且所述杂质分离器(15)贯通连接于所述燃料罐(5)上，所述杂质分离器(15)内设置有除杂机构，所述除湿器(14)内设置有除湿机构；

所述除湿器(14)通过第三管体(25)与燃料电池(11)贯通连接，所述第三管体(25)上设置有氢气缓冲储罐(3)；

所述燃料电池(11)与所述原料进液箱(1)贯通连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于水解制氢单元的燃料电池电源设备，其特征在于，所述除杂机构包括除酸碱室(16)和颗粒物吸附室(18)，所述除酸碱室(16)的出口上设置有树脂层(17)，所述除酸碱室(16)与所述颗粒物吸附室(18)贯通连接，所述颗粒物吸附室(18)的出口上设置有固体吸附层(28)。

3.根据权利要求2所述的一种基于水解制氢单元的燃料电池电源设备，其特征在于所述干燥冷凝机构包括球形干燥管(9)和填充管(19)，所述填充管(19)设置于所述球形干燥管(9)上，且所述填充管(19)内填充有吸附内容物，所述吸附内容物包括但不限于活性炭、吸附棉。

4.根据权利要求3所述的一种基于水解制氢单元的燃料电池电源设备，其特征在于所述除湿件包括除湿管(31)和分子筛，若干所述除湿管(31)呈弓形排列且贯通连接，所述除湿管(31)设置于所述除湿器(14)内，所述分子筛填充于所述除湿管(31)内。

5.根据权利要求4所述的一种基于水解制氢单元的燃料电池电源设备，其特征在于，所述氢气缓冲储罐(3)与所述燃料电池(11)之间的所述第三管体(25)上还设置有背压阀(13)，所述背压阀(13)与所述氢气缓冲储罐(3)之间还设置有电磁阀(32)。

6.根据权利要求5所述的一种基于水解制氢单元的燃料电池电源设备，其特征在于，所述燃料电池(11)与所述原料进液箱(1)之间通过第四管体(29)贯通连接，所述第四管体(29)上设置有气水分离器(23)，所述气水分离器(23)还与所述第二管体(24)贯通连接。

7.根据权利要求6所述的一种基于水解制氢单元的燃料电池电源设备，其特征在于，所述燃料罐(5)内填充有水解制氢材料和催化剂，所述水解制氢材料包括但不限于氢化镁、硼氢化钠，且贯通至所述燃料罐(5)内的所述第一管体(22)端部上设置有雾化喷头(10)；

所述原料进液箱(1)内填充有原料液，且所述原料进液箱(1)上设置有进料管(26)，所述进料管(26)上设置有开关。

8.根据权利要求7所述的一种基于水解制氢单元的燃料电池电源设备，其特征在于，所述外壳(21)上开设有通风口(20)，且所述外壳(21)侧壁上设置有散热器(4)。

9.根据权利要求8所述的一种基于水解制氢单元的燃料电池电源设备，其特征在于，所述第二管体(24)上还贯通设置有第五管体(27)，所述第五管体(27)上设置有安全阀(8)，且所述第二管体(24)与所述燃料罐(5)通过第一密封连接器(7)可拆卸连接，所述第一管体(22)上还可拆卸连接有第二密封连接器。

10.根据权利要求9所述的一种基于水解制氢单元的燃料电池电源设备，其特征在于，所述燃料罐(5)上设置有液位传感器(12)，所述外壳(21)内壁上还设置有控制器和储能电池(30)，所述外壳(21)外壁上设置有操作面板(33)，所述控制器分别与所述液位传感器(12)、所述操作面板(33)、所述蠕动泵(2)、所述电磁阀(32)以及所述储能电池(30)电性连接，所述储能电池(30)还能够与所述燃料电池(11)电性连接。

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